科协年会｜朱弟成：用一口“火锅”，煮出地壳演化新认识

  青藏高原的地壳厚度是地球平均值的两倍有余，最厚处可达80公里——足以将世界最高峰“垫”在脚下。这片巨厚的大陆如何长成为何呈现“上层富硅、下层富镁铁”的分层结构？在第二十八届中国科协年会“青藏高原多圈层耦合与全球气候变化”论坛上，中国地质大学（北京）朱弟成教授给出了一个出人意料的答案：密码藏在一口热气腾腾的四川火锅里。

  大陆地壳的“成长烦恼”

  地球是太阳系中唯一拥有板块构造和长英质大陆地壳的行星。大陆地壳平均厚约35至40公里，整体成分相当于安山岩，记录了地球40多亿年的演化历史。然而，这一平均成分如何形成，长期困扰着地球科学家。

  “传统理论主要有两条路径。”朱弟成解释。一是“拆沉”。俯冲带下部的致密镁铁质岩石因太重而沉入地幔，使地壳整体“变轻”、变富硅；二是“刮垫”。富硅物质在俯冲过程中被“刮”到大陆地壳底部，再熔融加入地壳。但这两种模型主要基于大洋俯冲带的研究，面对大陆碰撞带（如青藏高原）独特的岩浆记录时，显得力不从心。

  朱弟成团队基于大量锆石定年、地球化学和同位素分析数据发现，保存了2亿多年完整岩浆记录的冈底斯岩基，在约7000万年前发生了一次成分“跃迁”，从相对“清淡”的中钾钙碱性岩石转为“浓烈”的高钾钙碱性系列岩石。这一变化早于印度与亚洲大陆的碰撞（约5500万年前），却与板块汇聚速率激增和板片回卷的时间高度吻合。传统模型难以解释这种“碰撞前即开始成熟”的现象。

  大陆碰撞带大陆地壳产生和保存的堆熔过程（Cawood, 2025，中国科学: 地球科学）

  “堆熔”：从“堆晶”到“重熔”的两部曲

  面对这一谜题，朱弟成团队提出了“堆熔”模型，由“堆晶”和“重熔”组合而成，精准概括了碰撞带地壳演化的两阶段过程。

  “我用四川火锅来打比方。”朱弟成说。火锅初开时，锅底沉着大量“干货”——牛肉、青笋、土豆。这好比俯冲阶段，富水幔源岩浆在地下结晶分异，形成巨量富含角闪石的镁铁-超镁铁质堆晶岩；而锅面浮着的那层红油，则好比同期生成的中酸性岩浆。

  “火越烧越旺，锅底温度不断升高，原先沉在下面的‘干货’被‘煮熟’了，分解了。”这对应着俯冲晚期至碰撞阶段：俯冲板片回卷与断离诱发软流圈上涌，基性岩浆不断底侵，为下地壳持续供热加“火”。先期形成的富钾堆晶岩在高温高压下部分熔融，就像被煮化了的青笋、土豆，产生大量富钾、富硅的岩浆向上迁移，汇入中上地壳。

  大陆碰撞带堆熔模型的火锅示意图

  最终，红油越积越厚，锅底的“干货”脱水收缩，变成致密残留物，这正对应着今天地球物理探测在冈底斯地下60至80公里发现的“双莫霍面”结构，很可能就是堆晶岩熔融后留下的榴辉岩质残留体。一场持续了数千万年的“火锅盛宴”，最终造就了碰撞带地壳“上部富硅、下部致密”的分层结构。当然，这一比喻旨在帮助公众理解复杂的堆熔过程，其核心机制主要来自锆石U-Pb定年、全岩地球化学分析和高温高压实验等。

  从青藏高原走向全球

  “堆熔”并非青藏高原独有。朱弟成团队对比了北美阿巴拉契亚、欧洲加里东和华力西、东昆仑等全球主要碰撞带，均发现相似演化轨迹：碰撞前以中钾钙碱性岩石为主，伴随大量镁铁质堆晶岩；碰撞后则转变为高钾钙碱性至钾玄质（一种更加富钾的岩石类型）。

  “传统拆沉模型认为弧根堆晶岩因太重而‘掉’回地幔，但我们发现，在大陆碰撞环境下，由于俯冲大陆地壳的‘阻挡’，加上残留的高粘度长英质熔体像‘蜘蛛网’一样将堆晶岩‘粘’在原地，这些堆晶岩更可能保留在下地壳并重熔，而非大规模拆沉。”这正是“堆熔”与传统理论的分水岭。

  在朱弟成看来，理论的形成要经历“假说—模型—理论”的跃升，先根据观察与数据提出假说，再经多方面验证成为模型，当证据充分并能开辟新方向时，才上升为理论。目前，“堆熔”已得到全球多个碰撞带的地质、地球化学证据支持，他正带领团队将其与金属成矿、深部碳循环和气候变化联系起来，不断拓展和完善这一模型。

  朱弟成在青藏高原野外

  “大陆地壳的成熟，不一定需要大规模‘扔掉’什么，也不一定需要大规模‘刮来’什么，而是可以通过‘内部再加热’，让先期形成的‘锅底’重新沸腾，实现自我演化。”朱弟成说，“我希望‘堆熔’能成为中国学者对固体地球科学做出的一项实质性贡献，为理解碰撞带大陆地壳演化提供一个更加系统的新视角。”（光明网记者陈雪松 宋雅娟 乐通）

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